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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Strömungen,
bei welchem in die zu messende Strömung ein Trägermedium, das Partikel enthält, eingeleitet
wird und die Bewegungen der Partikel ausgewertet werden, wobei das
Einbringen der Partikel in das Trägermedium in einem Fluidisierungsbehälter erfolgt.
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Die
Erfindung steht im Zusammenhang mit der Anwendung von optischer
Laser-Messtechnik
zur Strömungs-
und Geschwindigkeitsmessung. Für
die meisten solcher Verfahren, wie z. B. PIV, DGV, L2F, LDA ...,
ist es notwendig, die zu untersuchende Strömung mit kleinsten Partikeln
anzureichern, die der Strömung
optimal folgen. Diese Partikel werden in der Strömung in einem Beobachtungsvolumen
durch einen Laser beleuchtet und das gestreute Licht der Teilchen
in der Strömung
wird mittels einer Kamera oder eines Photodetektors aufgenommen.
Die verschiedenen Verfahren bedienen sich dann des Doppler-Shifts des gestreuten
Lichts, dem reinen Partikel-Versatz oder der Flugzeitbestimmung,
um Strömungsgeschwindigkeit
und -richtung sowie weitere Parameter zu bestimmen.
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Die
besondere Schwierigkeit für
die sonst berührungslose
Laser-optische Messtechnik besteht darin, die untersuchte Strömung möglichst
homogen, kontinuierlich und reproduzierbar mit geeigneten Partikeln
anzureichern. Das Einbringen der Partikel in die zu messende Strömung wird
auch als „Seeding" bezeichnet. Andererseits
werden auch die eingebrachten Partikel „Seeding" genannt. Die Partikel müssen immer
klein genug sein, um der Strömung optimal
folgen zu können.
Gleichzeitig dürfen
die Partikel eine bestimmte Größe nicht
unterschreiten, um genügen
Streulicht zu erzeugen.
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Die
seit Jahren stetig voranschreitende Entwicklung in der Lasermesstechnik
ermöglicht
inzwischen neben vielen Standardanwendungen (Windkanal, Freistrahl
etc.) auch den erfolgreichen Einsatz in immer komplizierteren Umgebungen.
Neben Anwendungen in ein- und mehrstufigen Turbomaschinen (Turbine,
Verdichter) kommen die verschiedenen Messtechnik-Verfahren auch
in Brennkammerströmungen
(Flugtriebwerke, stationäre
Energiegewinnung) sowie trans- und supersonisch beschleunigten Strömungskanälen (Wiedereintrittsszenarien,
Jetströmungen)
zum Einsatz. Mit der wachsenden Komplexität der messtechnischen Anwendungen
steigen auch die Anforderungen an die sog. Tracer-Partikel, die
der Strömung
zugeführt
werden müssen.
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In
der Vergangenheit wurde das jeweilige Seeding der Strömung mithilfe
von Partikel-Generatoren auf der Basis des bereits genannten Fließbett-Verfahrens
erzeugt. Die Erfahrungen zeigen, dass sich der Einsatz dieser Partikel-Generatoren unter
kritischen Randbedingungen gegenüber
Flüssig-Partikeln
prinzipiell bewährt
hat. Dennoch bereiten die kontinuierliche Förderung und die Einstellung reproduzierbarer
Partikel-Massenströme
nach wie vor große Schwierigkeiten.
Für Strömungsmessungen
in Brennkammern ist es häufig
auch erforderlich, einen konstanten Massenstrom einzuhalten, so
dass der Partikelgenerator zur Reduzierung von Verschmutzungen nicht
einfach zwischen zwei Messungen abgeschaltet werden kann. In diesem
Fall wird der Förder-Luftstrom bereits
erfolgreich durch eine Bypass-Leitung aufrechterhalten, ohne dass
Seeding gefordert wird.
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Um
die Anwendung der Laser-Messtechnik auch unter kritischen Bedingungen,
d. h. hohe Temperatur- und Druckeinflüsse oder reagierende Strömungen,
zu ermöglichen,
werden über
die homogene Verteilung und reproduzierbare, gleichmäßige Förderung
hinaus zusätzliche
Anforderungen an die physikalischchemischen Eigenschaften der Partikel gestellt:
Die Teilchen sollten inert (reaktions-träge), temperatur- und druckbeständig sein
sowie gute Förder-
oder Zerstäubungseigenschaften
besitzen. Die optimale Größe der Partikel
liegt, je nach Wahl der angewendeten Laser-Messtechnik und Versuchsumgebung,
im Bereich von 0,3–1,5 μm. Dies trifft
u. a. auf die Primärteilchen
feststoffbasierter, oft auch metallischer Materialien zu, die geeigneter
Weise in Pulver- bzw. feinster Puderform vorliegen.
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Zur
Förderung
der genannten Partikel werden Seeding-Generatoren auf Basis des
Fließbett-Verfahrens
eingesetzt, da sich diese Art der Förderung in den letzten Jahren
prinzipiell als geeignet gezeigt hat. Hierbei wird das pulverförmige Seeding von
unten mit einem Trägermedium
(Druckluft, Stickstoff) durchspült,
wodurch die Partikelschüttung
aufgelockert wird. Durch Regeln des eingangsseitigen Drucks wird
die Fließgeschwindigkeit
im Partikelgenerator (zylindrisches Rohr) so lange erhöht, bis
die Partikel aus dem Fließbett
ausgetragen werden und dem Trägermedium
folgen. Eventuell vorhandene Agglomerate werden austrittsseitig über eine
Schallstelle (Blende) zerstört.
Um in der Blende sonische Strömungsbedingungen
(Schallgeschwindigketi) zu erreichen, ist ein Druckverhältnis von
2:1 im Partikelgenerator gegenüber
dem austrittsseitigen Druck einzustellen. Die Verwendung von Schallstellen
zur Agglomerat-Zerkleinerung ist ebenfalls ein bekanntes Verfahren.
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In
U.S. 5,148,229 ist ein Verfahren
der Laser-Velocimetry zur Messung der dreidimensionalen Geschwindigkeitskomponenten
eines Partikels in einer Fluidströmung beschrieben. Zur Erfassung
von zwei Geschwindigkeitskomponenten werden die Doppler-Signale
ausgewertet, die von einem in der Fluidströmung enthaltenen Partikel ausgesandt
werden. Die dritte Geschwindigkeitskomponente wird anhand einer
Flugzeit des Partikels in dem Messvolumen bestimmt.
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DE 199 28 698 A1 (DIR)
beschreibt eine Vorrichtung zur Durchführung von Particle-Image-Velocimetry-Messungen,
bei der eine Lichtquelle einen Lichtschnitt beleuchtet, der von
Partikel passiert wird.
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U.S. 4,662,798 beschreibt
ein Verfahren zur Dosierung und Regulierung des Massenstromes von Feststoffpartikeln
in einer transportierten Feststoffpartikel-Gas-Suspension.
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In
der Zeitschrift Aerosol Science, 1974, Vol. 5 pp. 449–455 K.
Willeke, C. S. K. Lo, K. T. Whitby „Dispersion Characteristics
of a Fluidizied Bed" ist das
Einbringen von Feststoffpartikeln in eine Fluidströmung zur
Erzielung einer Staubdispersion beschrieben. Kugelförmige Feststoffe
werden in ein Fluidisierungsbett eingebracht, das Bronze- oder Nickelkugeln
enthält.
In das die Kugeln enthaltende Fluidisierungsbett wird portionsweise
Staub eingebracht. Dieser Staub steigt mit dem Trägerfluid
auf. Das Verfahren dient zur Klassifizierung der Staubpartikel und zur
Messung der Korngrößenverteilung
bei intermittierenden Staubinjektionen. Es ist kein Geschwindigkeitsmessverfahren.
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In
der Zeitschrift "Measurement
Science and Technology 13 (2002) 1–12" ist eine Seeding-Vorrichtung beschrieben,
die Partikel in einen Luftstrom abgibt. Es handelt sich um einen
Vicount 2000-Seeder, der Ölpartikel
mit einem Durchmesser von 0,5–1,0 μm liefert.
Der Seeder war mit einer Anordnung verbunden, die einen Windtunneleinlass überspannt.
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Bei
den bekannten Verfahren zur Messung von Strömungen treten folgende Schwierigkeiten
auf:
Eine ungleichmäßige und
teilweise schwallartige Förderung
des Seedings, besonders beim Einschalten, führt zu Verschmutzung der Prüfstrecke,
was zu starker Reduzierung der Signalrate der entsprechenden Lasermessung
führt.
Die häufigen
Unterbrechungen einer Messung zur Reinigung der optischen Zugänge der
Messstrecke von Seedingrückständen erschwert zudem
die Einstellung vergleichbarer Arbeitspunkte bzw. Strömungszustände am Prüfstand,
da tagesabhängige
Umgebungseinflüsse
nicht immer ausgeschlossen werden können. Zudem ist trotz der Verwendung
von Blenden, die den Massenstrom auf einen bestimmten Bereich begrenzen,
eine reproduzierbare Wiederholung einer Messung mit gleichen Randbedingungen
und Seedingmengen kaum möglich.
Darüber
hinaus haben die Seedingmaterialien Aluminiumoxid (Al2O3) und solides Siliziumoxid (SiO2)
die Tendenz, Wasser anzulagern. Dadurch ist nach längerer Lagerung
auch in luftdichten Behältnissen
stets eine Prozedur zum Ausheizen der enthaltenen Feuchtigkeit notwendig,
da die Partikel sonst stark zur Bildung von Agglomeraten neigen. Diese
lassen sich im ungünstigsten
Fall nicht mehr an der Schallstelle zerkleinern, bzw. verhindern
sogar eine Förderung
durch Verklumpung im Partikelgenerator. Für die beiden genannten Materialien
ist es daher auch unabdingbar, für
die Partikelförderung ausschließlich trockene, ölfreie Druckluft
oder Inertgas (Stickstoff) zu verwenden. Die Bereitstellung dieser
Fördermedien
ist nicht in jeder Anlage problemlos möglich und daher oft kostenintensiv.
Aluminiumoxid und Titandioxid haben zudem einen sehr großen Anteil
kleinster Primärteilchen
(< 300 nm). Diese
können
vor allem von den flächigen
laser-optischen Verfahren nicht mehr detektiert werden, sondern
tragen nur zu einer Verstärkung
des Hintergrundleuchtens (diffuses Streulicht) und zur Verschmutzung
bei. Beide Phänomene
verschlechtern die Signalausbeute bis hin zum Scheitern einer repräsentativen
Messung. Darüber
hinaus ist die Form der Primärteilchen bei
Al2O3 und TiO2 unregelmäßig und kantig (REM-Bilder).
Dadurch ist die Intensität
des gestreuten Lichts der Teilchen abhängig von der zufälligen Orientierung
der Teilchen in der Strömung
und beeinträchtigt
somit ebenfalls die Signalausbeute. Dies stellt sich gerade in den
hochturbulenten, komplizierten technischen Strömungen der heutigen messtechnischen
Anwendungen als besonders nachteilig dar.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung
von Strömungen
anzugeben, das eine gleichmäßige und
reproduzierbare Förderung
eines Partikel enthaltenden Trägermediums ermöglicht,
wodurch letztlich die Genauigkeit der Geschwindigkeitsmessung erhöht und der
erforderliche Zeitaufwand verringert wird.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
ist durch den Patentanspruch 1 definiert. Es ist dadurch gekennzeichnet,
dass auf einem trichterförmigen
Boden des Fluidisierungsbehälters
ein Gemisch aus Kugeln und Partikeln angeordnet wird, das von dem Trägermedium
durchströmt
wird.
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Die
Kugeln, die im Vergleich mit den Partikeln sehr groß sind,
verhindern die Ausbildung und das Auswaschen fester Strömungswege
der Partikel. Sie bewirken eine räumliche Vergleichmäßigung der Partikelverteilung.
Durch den trichterförmigen
Boden des Fluidisierungsbehälters
wird erreicht, dass sich der Fluidstrom, der an der engsten Stelle
des Trichters von unten eingeführt
wird, divergierend nach oben ausbreitet und die Partikel in gleichmäßiger Flächenverteilung
mitnimmt. Damit kann ein hoher Massenstromdurchsatz an Partikeln
erreicht werden. Die Partikel sind in dem Gemisch aus Kugeln und
Partikeln von Anfang an enthalten und sie werden nicht lediglich
eingeimpft. Dadurch besteht in dem Fluidisierungsbett ein großer Partikelvorrat.
Insbesondere, wenn das Fluidisierungsbett intermittierend durchströmt wird,
ergeben sich untereinander gleiche Fluidisierungsimpulse mit gleichbleibender
Verteilungsdichte der Partikel. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
können
auch solche Partikel verarbeitet werden, die zur Bildung von Agglomeraten
oder Klumpen neigen.
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Als
besonders zweckmäßig für Strömungsmessungen
haben sich Partikel erwiesen, die aus Siliziumdioxid bestehen. Solche
kugelförmigen
Partikel sind unter der Bezeichnung „Monosphere 800" (M800, SiO2) der Firma Merck erhältlich und unter der Bezeichnung „Godball" (SiO2)
der Firma Seika, Japan. Die Besonderheit der Godball-Partikel besteht darin,
dass sie einerseits porös
sind und eine geringe spezifische Dichte von 0,18–0,25 haben
und andererseits eine hervorragende Streulicht-Charakteristik. Die
Kugelform ist rund bei einer Größenverteilung von
0,5–1,5 μm.
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Die
großen
Kugeln bestehen beispielsweise aus Bronze. Sie werden mit den Partikeln
in Mischungsverhältnissen
von 2:1 bis 3:1 eingesetzt. Durch ihre Größe und ihr Gewicht verbleiben
die Bronzekugeln im Partikelgenerator und werden nicht mitgefördert. Durch
die geringe Dichte der Partikel sind geringere Fließbettgeschwindigkeiten
zum Fördern
der Partikel ausreichend. Darüber
hinaus neigt das genannte Material weniger zur Anlagerung von Feuchtigkeit
und zur Bildung von Agglomeraten.
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Die
Kugeln haben einen Durchmesser der mindestens um den Faktor 20 größer ist
als derjenige der Partikel, vorzugsweise um den Faktor 40 und insbesondere
um den Faktor 70. Die Partikel sind somit extrem feinkörnig im
Vergleich zu den größeren Kugeln.
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Im
Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 den
Aufbau eines Fluidisierungsbehälters
zur Erzeugung eines Trägermediums,
das Partikel enthält
in der Betriebsstellung,
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2 den
Fluidisierungsbehälter
bei Bypassbetrieb und
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3 eine
Darstellung der Kugeln und Partikel in dem Fluidisierungsbett.
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In
den Zeichnungen ist lediglich die Erzeugung einer Partikel enthaltenden
Trägerströmung dargestellt,
nicht aber die eigentliche Messstrecke, die von der Messströmung durchströmt wird.
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Die
dargestellte Vorrichtung enthält
einen Fluidisierungsbehälter 10,
der mit vertikaler Achse aufgestellt ist. Am unteren Ende befindet
sich ein trichterförmiger
Boden 11, der sich von einem Lufteinlass 12 aus
nach oben erweitert. Der trichterförmige Boden 11 bildet
einen Diffusor, der eine gleichmäßige Verteilung
und Ausbreitung der Luftströmung bewirkt.
Am Lufteinlass befindet sich eine Sinterplatte 13, deren
Porosität
so fein ist, dass sie die Partikel, deren Durchmesser in der Größenordnung
von 1 μ liegt,
zurückhält. Die
Sinterplatte 13 trägt
das Fließbett 14.
Dieses besteht aus einem Gemisch aus Kugeln 15 und Partikeln 16 (3).
Die von unten einströmende
Luft nimmt die Partikel 16 mit, die in den Behälterraum
hinein aufsteigen, während
die Kugeln 15 innerhalb des trichterförmigen Bodens 11 verbleiben.
Dadurch bildet sich oberhalb des Fließbettes 14 eine mit
Partikeln angereicherte Trägerströmung aus. Diese
gelangt zu dem Partikelauslass 18. Dort befindet sich eine
Blende 19, die ausgewechselt bzw. verstellt werden kann,
um unterschiedliche Strömungsraten
einzustellen.
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Die
Luft wird dem Fluidisierungsbehälter 10 durch
eine Zuführleitung 20 zugeführt, die
einen Absperrhahn 21 enthält und zu dem Einlass eines
pneumatisch gesteuerten Dreiwegehahns 22 führt. In
der Betriebsstellung, die in 1 dargestellt
ist, verbindet der Dreiwegehahn 22 die Zuführleitung 20 mit
der Behälterleitung 23,
die zum Einlass 12 führt.
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In
der Bypassstellung, die in 2 dargestellt
ist, verbindet der Dreiwegehahn 22 die Zuführleitung 20 mit
einer Bypassleitung 24, die unterhalb der Blende 19 in
den Auslass 18 mündet.
Da der Dreiwegehahn 22 in jeder der beiden Schaltstellungen
die gleiche Luftströmung
liefert, erhält
der Partikelauslass 18 abwechselnd eine Luftströmung mit Partikeln
und eine Luftströmung
ohne Partikel. Der Eingangsdruck der Zuführleitung 20 beträgt bis 40 bar.
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3 zeigt
schematisch die Verteilung der Kugeln 15 und der Partikel 16 im
Fließbett 14.
Man erkennt, dass die Kugeln mehrfache Umlenkungen der verschiedenen
Strömungspfade
bewirken, so dass sich keine festen Bahnen ausbilden können. Hinzu
kommt, dass die aufsteigende Luft die Kugeln lockert bzw. geringfügig anheben
kann, so dass auch hierdurch eine ständige Variation der Strömungswege
eintritt. Oberhalb des Fließbettes 14 bildet
sich eine Wolke, die nur Partikel 16 enthält.
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Der
Fluidisierungsbehälter 10 bildet
einen Partikelströmungsgenerator
zur Erzeugung einer Partikel enthaltenden Trägerströmung, die in die Messströmung eingeleitet
wird.